Utvärdering av temporära stödkonstruktioner

Abstract

I byggnad och anläggningsprojekt där man avser att förändra de ursprungliga geometriska förhållandena, till exempel genom schaktning, är det vanligt att någon form av stödkonstruktion används. Syftet med stödkonstruktionen är att förhindra att stabilitetsbrott uppstår i jorden, men även att skydda närliggande byggnader, anläggningar och infrastruktur mot skadliga rörelser i jorden etc. Examensarbetet har bedrivits parallellt med ett verkligt uppdrag i Akershus, Norge åt teknikkonsultföretaget Reinertsen AB. I uppdraget skall en sedimenteringsbassäng anläggas med grundläggningsnivå ca 4 à 4,5 m under befintlig markyta, vilket kräver någon form av stödkonstruktion för att stabilisera schakten. Placeringen av sedimenteringsbassängen är begränsad till en liten yta där både vatten (i form av ett vattendrag) och berg omger konstruktionen. På grund av den begränsade ytan och närheten till vatten anses projekteringsförhållandena som relativt komplexa, och uppdraget går därför utanför rutinmässig projektering. Examensarbetet har syftat till att utreda tre frågeställningar kopplade till referensprojektet; att inventera och utvärdera möjliga stödkonstruktioner, att identifiera vilka parametrar som är avgörande vid valet av stödkonstruktion och genom dimensionering och verifiering visa att vald(a) stödkonstruktion(er) är genomförbar(a). De avgörande faktorerna i valet av stödkonstruktion för referensprojektet identifierades som jordens egenskaper, omgivande miljö, processmetoder, framdrift, praktiska faktorer och storleken för projektet. Efter att ha isolerat konsolsponten som den lämpligaste stödkonstruktionsmetoden utfördes en ”klassisk” beräkning för att bestämma vilka krafter och moment som verkar i sponten och därmed kunna välja erforderlig spontprofil. I detta fall är schaktdjupet 4 – 5 m och det är ett gränsfall om en ren konsolspont kan användas. Som tumregel brukar anges att sponten ska vara två gånger så djupt installerad i jord under schaktbotten som den är synlig i schakten. I referensprojektet skulle det innebära spontlängder på upp mot 15 m och däröver. Det är sällan konsolsponter med en längd över 10 m används, och det har att göra med svårigheten att mobilisera fullt jordtryck mot sponten och de stora rörelser som åtgår för det. Klassiska handberäkningsmetoder utgår från att fullt utvecklat jordtryck råder längs hela spontens längd. Detta kan leda till att orimligt höga moment i sponten beräknas. Därför utfördes motsvarande analys även i finita element-programmet PLAXIS för att få en mer nyanserad bild av både hur systemet spont-jord beter sig och av kraft-, spännings- och momentbilden i sponten. I ett finit element-program mobiliseras jordtryck utifrån de faktiska deformationerna och det kan då konstateras att fullt jordtryck inte utvecklas längs hela sponten och att ett betydligt mindre moment beräknas i sponten. En känslighetsanalys utfördes också med PLAXIS. Analyserna i PLAXIS visade att den förväntande vattenproblematiken inte utgjorde något problem i både den ursprungliga beräkningen och i känslighetsanalysen. Däremot kunde slutsatsen dras att konsolsponten skulle behöva någon form av förstärkning då känslighetsanalysen visade att förändringar i omgivande geometri och av vattenstånd innebar en säkerhetsrisk.In connection with excavations it is common that some kind of retaining construction is needed to prevent failure to occur and also to protect surrounding buildings and infrastructure to be damaged due to deformations in the soil volume. This Thesis has been carried out in conjunction with the engineering firm Reinertsen AB within an actual contract. The assignment is to design a sedimentation basin for drainage water from a nearby tunnel which will be founded about 4 to 5 m below the existing ground surface. Therefore some kind of retaining structure is needed to stabilize the excavation. Within the Thesis work three items have been addressed; identification and evaluation of possible retaining structures, identification of governing factors, and through design and verification show that the chosen structures are possible to use. The most important governing factors were found to be the soil properties, environment aspects, process methods, progress, practical aspects, and the size of the project, respectively. After having identified a classical console sheet pile wall as the most feasible type of retaining structure, first a hand calculation was performed to verify the choice. The length of a console sheet pile should by a rule of thumbs be maximized to about 10 m, of which 2/3 should be installed in soil below the excavation bottom. The reason for this is the difficulties to mobilize full earth pressure against the sheet pile for longer sections. In this case, the sheet pile will have a length of about 15 m, which leads to a very high calculated moment and, thus, unreasonable large sheet pile profiles. Therefore, a finite element analysis was also carried out with the software PLAXIS to get a more nuanced picture of the stresses, forces and moments which develop in the sheet pile. A sensitivity analysis was also done. In this way a more reasonable magnitude of the moment to be developed in the sheet pile was calculated and, thus, a considerably smaller profile could be used